冶金焦是钢铁综合生产工艺的重要组成部分，因为它提供将高炉中的铁矿石化学还原成熔融生铁（铁水）所需的碳和热量。焦炭的强度还使其能够支撑高炉中的料柱，其形状也为气体穿透料床提供了良好的透气性。
尽管冶金焦炭至关重要，但焦炭厂的自然老化、日益严格的环境法规（导致生产成本上升）以及停产，都可能导致北美产能下降。
根据世界钢铁动态（World Steel Dynamics）和英国商品研究机构CRU International的研究，预计未来20年，需求与产能下降之间的缺口每年将超过1200万吨。
这一缺口也给焦炭制造商带来了挑战，他们需要探索新兴技术，以改善现有设施的环境控制，并将其应用于新设施。随着未来10年钢铁需求预计以每年2%的速度增长，改进控制措施的需求将变得更加紧迫。
冶金焦炭通常是在一组大型焦炉中焙烧煤（炼焦）生产的，焦炉是多个垂直燃烧室，由加热烟道隔开。将混合的冶金煤装入焦炉顶部的孔中，然后在隔绝空气（以防止燃烧）的情况下进行高温加热。
经过数小时的高温静态加热，煤会经历塑性阶段，挥发分从煤中析出形成焦炭。炼焦完成后，焦炉一端的推料机将炉门移开，并将热焦炭从另一端打开的门中推出，送入移动式集装箱车。然后，将热焦炭干熄焦或用水淬火。
当煤炭转化为焦炭时，其挥发性成分会在副产品工厂中被回收，并被制成各种化学品，包括焦油、轻油、氨等。直到20世纪50年代，这些副产品的价值都超过了焦炭。然而，石油精炼技术的出现已将这些化学品的价格压低到如此低的水平，以至于如今焦炉副产品工厂只不过是一个成本高昂的污染控制装置。
趋势与驱动因素
整个炼焦工艺在其一百多年的历史中几乎没有什么变化，但却受到严格的环境法规的约束。这些法规和炼钢工艺的变化导致生产成本上升或停产，迫使钢铁行业改进炼焦工艺。老化的设施（主要在发达国家）也需要更换，再加上环境法规的收紧，这些因素正在减少焦炭的产量。世界钢铁动态组织 (World Steel Dynamics) 和英国商品研究理事会 (CRU International) 的研究预测，到 2005 年，全球将出现冶金焦短缺。例如，美国和加拿大目前每年生产 2200 万短吨冶金焦。
在未来 20 年内，由于设备正常老化，至少需要更换 1200 万吨。
技术挑战
炼焦过程受政府法规的约束，以控制装料、炼焦、卸料（推料）和熄焦过程中的排放。主要关注的排放问题集中在焦炉两端的炉门以及炉组顶部的焦炉装料口，因为密封不当的炉门和装料口盖会导致气体逸出。
副产品加工给炼焦厂带来了额外的环境控制问题。在整个炼焦过程中，有机化合物被回收为气体、焦油、油和其他液体产品，以供再利用或转化为副产品出售或内部使用。一些回收的化合物被认定为致癌物，同时也被归类为健康危害物，因此需要进行特殊处理。此外，炼焦副产品的价值已大幅下降，回收通常不经济。
新兴技术
为了改善现有炼焦设施的环境控制，并寻找更具成本效益的高质量冶金焦生产方法，一些新兴技术应运而生。
新技术包括：
• 欧洲巨型焦化反应器已为更大的单个间歇式焦炉重新配置了电池组。最近的研究表明，该技术（也称为单室系统）的资本成本明显高于传统技术，因此，人们对该技术的利用兴趣不大。
• 无回收焦炭制造是一项成熟的技术，源自 Jewell-Thompson 蜂窝焦炉设计。蜂窝焦炉在负压下运行，通过焚烧废气来消除副产品。该技术还包括余热锅炉，将燃烧产生的废热转化为高压蒸汽，供工厂使用并转化为电能。
• 煤炭技术公司正在使用一种成型焦工艺，该工艺利用非焦煤和废煤生产焦炭团块。该工艺目前被称为 Antaeus Continuous Coke™ 工艺，以购买该专利权的澳大利亚公司命名。
• 日本的SCOPE21项目仍处于早期开发阶段，其采用的是一种结合了成型焦和现有炉组改进的型焦工艺。该技术将炼焦过程分为三个阶段：煤炭预处理、碳化和焦炭提质。该项目是一项为期八年的研究计划的一部分。
新兴技术包括：
• 乌克兰国家碳化学研究所正在测试一种连续炼焦工艺，该工艺使用立轴结构和活塞推动冶金焦混合物通过加热区。据称，哈尔科夫已拥有一个试验装置。
• 美国正在开发的卡尔德隆炼焦技术，该技术涉及从冶金煤连续生产焦炭，并在完全密封的条件下对气体进行净化和裂解。净化后的气体用作合成气。
研发需求和机遇
将煤转化为焦炭的过程中会产生副产品气体和液体。这些材料必须以环保的方式进行储存和处理。对于含有有价值成分的材料，必须将其成分分离并安全加工和/或出售。
传统焦炉的装卸过程以及焦炭冷却和高炉炉料制备过程中都会排放颗粒物。因此，需要经济高效的熄焦和除尘系统。
需要开发新的炼焦工艺，将副产品成分转化为更有价值的产品。焦化厂的废气可用于生产直接还原铁或作为化学工艺的原料。此外，还应开发延长现有焦化厂寿命的技术。
需要在线数据收集来优化工艺顺序，以实现最高的能源效率和最低的焦炭生产成本。通过实施现代分布式控制系统，可以改进传统副产品工厂或合成气生产工厂的运行。然而，还需要开展研究，开发工厂仿真和复杂的控制算法。
该行业需要充分利用低价值碳质材料的可用性。更好地利用收缩煤将降低炉壁压力，从而延长焦炉寿命并提高生产率。应采用低价值碳材料，例如石油焦、焦粉、煤粉、煤焦油和非焦煤，以降低运营成本。
需要开发涵盖煤炭质量和焦炉运行参数的综合经济模型，并最大限度地利用低价值碳材料。
